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Einfluss der Legierungselemente auf das Zustandsschaubild Fe-Fe3C im Hinblick auf das Gamma-Gebiet

Wie ändern die Legierungselemente Ni, Co, Mn, Cr, Al, Ti, Si, Mo, V und W das Zustandsschaubild Fe-Fe3C im Hinblick auf das γ-Gebiet und welche technologischen Eigenschaftsänderungen der Stähle sind zu erwarten?

  • Nickel bewirkt (z.B. in korrosions- und zunderbeständigen Chrom-Nickel-Stählen) eine Erweiterung bzw. „Öffnung“ des γ-Gebietes, sodass bei höheren Temperaturen zwischen Eisen und Nickel vollständige Mischbarkeit im festen Zustand besteht. Mit der Zugabe von Nickel wird die Streckgrenze und Kerbzähigkeit erhöht z.B. in Baustählen. Bei Einsatz- und Vergütungsstählen führt es zur Erhöhung der Zähigkeit. Hohe Nickelgehalte führen zu Stählen mit kleiner Temperatur-Ausdehnung (Invar).
  • Kobalt bildet keine Karbide und begünstigt die Graphitbildung und Ausbildung von Schwarzbruch. Bei höheren Temperaturen hemmt es das Kornwachstum und verbessert stark die Anlassspödigkeit und die Warmfestigkeit. Aus diesem Grund wird es oft in Schnellarbeitsstählen, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen verwendet. Zusätzlich erhöht es in die Remanenz (bleibender Magnetismus bzw. bleibendes Magnetfeld) und Warmleitfähigkeit und ist deshalb Legierungsbasis für hochwertige Dauermagnetstähle und –legierungen.
  •  Mangan öffnet wie Nickel das γ-Gebiet, dabei wird der A3-Punkt mit steigendem Mn-Gehalt zu tieferen Temperaturen hin verschoben (Ausweitung des γ-Bereichs). Mangan bindet den Schwefel (als Mangan-Sulfide) und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfides. Durch das Zugeben von Mn wird die Rotbruchgefahr reduziert. Es setzt die kritische Abkühlgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit. Auch die Streckgrenze und Festigkeit werden erhöht, auch die Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit werden verbessert. Mangan vergrößert stark die Einhärttiefe. Es erhöht sich ebenfalls der Wärmeausdehnungskoeffizient, während die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sinken.
  • Beim zugeben von Chrom verkleinert sich der γ-Bereich und dadurch wird das Ferritgebiet erweitert. Der Austenit wird in austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom-Nickel-Stählen stabilisiert. Stahl wird durch das zu legieren von Chrom zu einem Öl- bzw. Lufthärter. Durch das Herabsetzen der kritischen Abkühlgeschwindigkeit bei der Martensitbildung kann es die Härtbarkeit und Vergütbarkeit verbessern. Dabei wird allerdings die Kerbschlagzähigkeit verringert. Mit steigendem Chromgehalt bei reinen Eisen-Chrom-Stählen nimmt die Schweißbarkeit ab und die Zugfestigkeit nimmt zu. Chrom bildet Karbide, welche die Schnitthaltigkeit und Verschleißfestigkeit steigern. Für die Korrosionsbeständigkeit bei Stählen ist ein Chromgehalt von mind. 13% notwendig, der in der Grundmasse gelöst sein muss. Die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit werden verringert.
  • Aluminium engt den γ-Bereich sehr stark ein. Es wirkt stark begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein. In kleinen Mengen unterstützt Aluminium die Feinkornausbildung im Stahl. Zusammen mit Stickstoff bildet Al Nitride, die sehr hohe Härten haben. Aus diesem Grund wird es häufig als Legierungselement in Nitrierstählen eingesetzt. Es erhöht die Zunderbeständigkeit. Bei unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch „Alitieren“(Einbringen von Al in die Oberfläche) die Zunderbeständigkeit fördern.
  • Titan ist ein starker Karbidbildner. Aus diesem Grund wird Titan oft als Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen verwendet. Titan zählt zu den Stabilisatoren, weil es auf Grund seine hohen Affinität zu Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff desoxidierend, stark denitrierend, schwefelbindend und stark karbidbildend wirkt. Außerdem wirkt es kornverfeinernd, erhöht die Zeitstandfestigkeit. Titan führt zu einer starken Einengung des γ-Bereichs und neigt zur Bildung von Seigerungen und zur Zeilenbildung.
  • Durch Silizium wird der Schmelzpunkt des Eisens stark erniedrigt und gehört zu den Elementen, die das γ-Gebiet des Eisens abschnüren. Wegen der Abschnürung des Gammafelds verlagern sich die Umwandlungspunkte zu höheren Temperaturen hin, und zwar bewirkt 1% Si eine Erhöhung um 50 K. Dadurch wird die Bildung eines groben Korns beim Glühen, Rekristallisieren und Härten begünstigt. Silizium erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Elastizitätsgrenze wird ebenfalls stark erhöht. Bei hohen Si-Gehalten (z.B. in Federstählen) erhöht sich die Zunder- und Säurebeständigkeit, jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit erniedrigt.
  • Molybdän bildet Karbide und bewirkt eine sehr starke Einengung des γ-Bereichs. Es verbessert durch Herabsetzen der kritischen Abkühlgeschwindigkeit die Härbarkeit und es verringert weitgehend die Anlasssprödigkeit, fördert die Feinkornbildung und wirkt sich begünstigend auf die Schweißbarkeit aus. Durch zu legieren von Mo wird die Streckgrenze und Festigkeit erhöht. Bei höheren Mo-Gehalten wird die Schneidbarkeit erschwert. Mo bewirkt eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und bei hohen Molybdängehalten wird die Lochfraßanfälligkeit gesenkt. Es erhöht die Warmfestigkeit und verringert die Zunderbeständigkeit.
  • Vanadium ist ebenfalls ein starker Karbidbildner.  Es bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gussstruktur. Bei zu legieren mit V wird durch die Bildung harter Karbide der Verschleißwiderstand, sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit erhöht. Es erhöht auch die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.
  • Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit wird durch die Zugabe von Wolfram erhöht. Es bildet wie Vanadium harte Karbide. Wolfram erhöht die Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Es wird aus diesem Grund bei Schnellarbeitsstählen und Warmarbeitsstählen hinzulegiert.